LA MATIÈRE SOUS TOUTES SES FORMES
1.3 LA DIFFUSION ET LE MOUVEMENT BROWNIEN
c) Quel grand chimiste a donné son coup de grâce à la théorie des quatre éléments principes ? Comment y est-il arrivé ?
Exercice 1.13
La chimie devient une véritable science expérimentale à la fin du XVIIIe siècle. Quel changement majeur observe-t-on alors dans l’attitude des chimistes ?
1.3 LA DIFFUSION ET LE MOUVEMENT BROWNIEN
La chimie moderne décrit les gaz à l’aide de la théorie cinétique, telle que nous l’avons vue plus tôt. Selon cette théorie, les molécules bougent continuellement ; or, ces mouvements ont des conséquences : par exemple, le déplacement des molécules d’un parfum dans l’air nous permet de le sentir. On dit alors que le parfum « diffuse » dans l’air.
LA DIFFUSION DES GAZ
Si vous avez le nez fin, c’est que votre nez est capable de percevoir les parfums les plus subtils. Et si vous percevez des odeurs, c’est parce que des molécules gazeuses et odorantes se propagent dans l’air et atteignent les cellules sensibles de votre nez. Les molécules gazeuses sont indépendantes les unes des autres. Elles se déplacent en ligne droite et changent de direction en rencontrant régulièrement d’autres molécules sur leur chemin. Les collisions qui résultent de ces rencontres modifient leur trajectoire jusqu’à la prochaine collision. Le mouvement d’une molécule ressemble donc à un zigzag, un peu à la manière de la boule de métal d’une machine à boules ou « pin-ball » (figure 1.11).
Figure 1.11 - La diffusion
De même qu’une boule de pin-ball, une molécule de gaz diffuse en se déplaçant en zigzag, conséquence d’une série de collisions avec d’autres molécules.
Comme les boules de la machine, les molécules qui s’échappent d’une bouteille de parfum se propagent rapidement dans toutes les directions et l’odeur se répand dans toute la pièce. Cette tendance naturelle d’un gaz à se répandre dans l’espace est appelée diffusion.
Les odeurs
Parmi les cinq sens, l’odorat ou olfaction est celui qui permet de percevoir les odeurs. Afin que notre cerveau puisse reconnaître une odeur, un contact direct entre le système nerveux central et des molécules gazeuses en suspension dans l’air est nécessaire. Lors de l’inspiration par le nez, certaines de ces molécules se lient temporairement à des récepteurs olfactifs qui leurs sont spécifiques. C’est à la suite de ces contacts qu’un influx nerveux est produit par les récepteurs et se dirige vers le cerveau qui traitera ces informations et identifiera l’odeur présente.
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Figure 1.12 - L’odorat chez l’homme
L’homme peut sentir la fleur grâce à des récepteurs olfactifs situés derrière ses yeux. Des molécules en suspension dans l’air qui émanent de la fleur entrent dans son nez et celles qui atteignent les récepteurs olfactifs sont à l’origine de la sensation qui est le résultat
d’un processus nerveux complexe.
En cas de feu ou de fuite de gaz par exemple, l’odorat peut nous sauver la vie. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’on ajoute au gaz propane un produit dont l’odeur caractéristique permet de détecter rapidement les fuites. On comprend alors que la per te totale ou même par tielle de l’odorat peut avoir des conséquences fâcheuses. De plus, la per te de l’odorat diminue la capacité de goûter les aliments. Quel malheur pour les gourmands !
Le chien, c’est bien connu, a du flair. L’odorat est le sens le plus développé chez cet animal ; il lui permet de détecter une odeur spécifique : on dresse des chiens pour dénicher de la drogue ou pour retrouver les victimes d’une avalanche. Le chien possède entre 100 et 200 millions de cellules olfactives, alors que l’homme n’en possède que 5 millions. On peut dire du chien qu’il a du « pif ».
Récepteurs olfactifs
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Dans le même ordre d’idées, vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les oignons vous font pleurer ? Ce phénomène s’explique parce que le jus d’oignon contient de l’acide propènesulfénique (C3H6SO), un composé très irritant pour les yeux. En coupant l’oignon, des molécules de cet acide s’échappent du liquide et diffusent dans l’air environnant. Celles qui atteignent les yeux en irritent la muqueuse et provoquent les larmes, qui ont pour fonction de protéger la muqueuse. Pour éliminer les pleurs, il faut empêcher le gaz d’atteindre les yeux. Comment ? La solution extrême serait de porter un masque étanche, comme ceux utilisés pour la plongée ; plus simplement, en pelant les oignons dans un bol d’eau, le composé irritant reste piégé dans le liquide et on garde le sourire !
Les odeurs et la toxicité
On associe souvent, à tort, l’odeur désagréable d’une substance avec sa toxicité. Les mauvaises odeurs constituent toujours un désagrément mais elles ne sont pas forcément nocives ; des quantités minimes de substances suffisent parfois à produire une odeur très forte. Par exemple, le liquide très parfumé utilisé par la mouffette pour se défendre sent horriblement mauvais, mais le fait de le respirer n’est pas forcément nocif. À l’inverse, camouflés sous une odeur agréable, certains gaz n’en sont pas moins dangereux. Par exemple, une douce odeur d’amande émane de l’acide cyanhydrique (HCN), un composé extrêmement toxique.
Il ne faut pas non plus penser qu’un gaz inodore est forcément inoffensif. Le monoxyde de carbone (CO), dégagé à la sortie du système d’échappement des automobiles, est hautement toxique bien qu’on ne le sente pas du tout. L’alcool méthylique (CH3OH) est un autre exemple. Cet alcool, aussi connu sous le nom d’« alcool de bois », sert à de nombreux usages. On l’utilise, entre autres, comme solvant, décapant et comme additif pour l’essence. C’est un liquide très volatil et peu odorant si on le compare à d’autres solvants fréquemment utilisés. Lorsque l’on ouvre une bouteille d’alcool méthylique, des molécules du liquide s’évaporent et diffusent dans l’air ambiant. La diffusion de ce gaz dans un endroit mal aéré peut causer une irritation des yeux, un mal de tête et même l’évanouissement.
La vitesse de dif fusion
Tous les gaz ne diffusent pas aussi rapidement qu’un parfum agréable ou que l’acide propènesulfénique des oignons. Une huile essentielle, par exemple, diffusera plus lentement parce que ses molécules sont plus lourdes. Deux facteurs entrent en cause : les molécules lourdes s’échappent plus difficilement du liquide et elles se déplacent plus lentement dans l’air.
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La vitesse de diffusion d’un gaz est directement liée à la vitesse de ses molécules : plus elles se déplacent vite, plus elles diffusent rapidement. À la même température, les molécules plus petites sont plus rapides que les plus grosses ; leur petite taille leur permet aussi de se frayer plus facilement un chemin au travers des molécules d’air. Les molécules lourdes se déplacent moins rapidement que les plus légères et elles sont souvent plus encombrantes.
La grosseur des molécules dépend de la masse molaire du gaz. Les molécules des gaz de masse molaire élevée se déplacent plus lentement que celles des gaz de faible masse molaire. Ainsi, les gaz de faible masse molaire s’échappent et diffusent plus rapidement que les gaz plus lourds. La figure 1.13 compare le déplacement d’une molécule lourde à celui d’une molécule légère.
Figure 1.13 - Vitesse de diffusion des molécules
À une température donnée, la molécule légère a une plus grande vitesse. Elle parcourt donc une plus grande distance que la molécule lourde dans le même intervalle de temps. La diffusion d’un gaz de faible masse
molaire est ainsi plus rapide que celle d’un gaz de masse molaire élevée. Molécule légére Molécule lourde
Exercice 1.14
Vous savez que les molécules des gaz les plus légers sont celles qui diffusent le plus rapidement. Faisons l’étude des gaz suivants : H2, CO2, O2, He.
a) À l’aide du tableau périodique, déterminez la masse molaire de ces quatre gaz3.
b) Classez les gaz par ordre croissant de vitesse de diffusion.
Que les gaz sentent bon, mauvais ou qu’ils soient inodores, tous diffusent dans l’air. La diffusion est un déplacement des molécules gazeuses dans toutes les directions de l’espace. Plus les molécules sont petites, plus elles sont rapides et vice versa. Les gaz diffusent dans l’air, qui est un milieu gazeux dont les molécules sont espacées. Que se passerait-il dans un milieu liquide où les distances entre les molécules sont beaucoup plus petites ?
LA DIFFUSION DANS LES LIQUIDES ET LES SOLIDES
La diffusion ne se limite pas aux gaz. Elle se produit aussi dans les liquides : en laissant tomber une goutte de jus de raisin ou de colorant alimentaire dans un verre d’eau, vous pouvez observer que la différence entre la couleur du jus (ou du colorant) et l’eau, très nette au début, deviendra de plus en plus floue jusqu’à ce que finalement tout le liquide soit de couleur homogène. La diffusion est plus lente dans les liquides que dans les gaz, car les mouvements sont beaucoup plus restreints et les molécules sont très rapprochées. Une molécule qui diffuse dans un liquide est un peu comme une personne qui tente de se faufiler dans une foule massée pour voir un spectacle.
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3. Pour des informations supplémentaires, consultez l’annexe portant sur le calcul de la masse molaire ou le chapitre 5 du guide Les phénomènes ioniques : une histoire d’eauproduit par la SOFAD.
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Exercice 1.15
La vitesse de diffusion des molécules est plus grande dans un gaz que dans un liquide. Expliquez ce phénomène à l’aide du modèle élaboré pour les liquides et les gaz au début du chapitre.
Dans les solides, la diffusion n’existe à peu près pas. Elle y est limitée par la rigidité de la structure. Rappelons que les molécules forment un ensemble compact et qu’elles occupent des positions fixes dans un solide.
En pratique, pour faire diffuser une substance dans un solide, on élève la température jusqu’à ce que le solide devienne liquide. Le cas de l’acier illustre bien cette situation. Les métallurgistes préparent l’acier en faisant diffuser du carbone solide dans du fer. Ils chauffent le fer jusqu’à ce qu’il devienne liquide et y introduisent alors le carbone. L’alliage obtenu, c’est-à-dire l’acier, est plus dur que le fer et moins cassant que le carbone, ce qui en fait un matériau très résistant.
Exercice 1.16
Pourquoi y a-t-il très peu de diffusion dans les solides ?
?
La diffusion trouve une application impor tante dans l’industrie nucléaire. L’uranium naturel est un mélange d’isotopes d’uranium 238 et d’uranium 235. Comme les isotopes d’un élément ont les mêmes propriétés chimiques, on ne peut les isoler en recourant à des réactions chimiques. Avant d’utiliser l’uranium naturel dans les réacteurs, on doit enrichir le mélange en uranium 235. On procède par diffusion pour réaliser cette opération.
La vitesse de diffusion étant plus rapide dans les gaz, on transforme d’abord l’uranium naturel en gaz, plus
précisément en hexafluorure d’uranium, 238UF6(g)et 235UF6(g). Les deux isotopes gazeux diffusent ensuite à
travers des parois de porosité différente. Les molécules de l’isotope le plus léger 235UF6, l’uranium 235,
diffusent un peu plus rapidement que celles de 238UF6. Lorsqu’on recueille le gaz de l’autre côté des parois,
la propor tion d’uranium 235 est plus grande qu’à l’origine. On dit alors que le combustible est « enrichi » en uranium 235.
LE MOUVEMENT BROWNIEN
Nous avons vu que la diffusion est plus rapide dans les gaz que dans les liquides parce que les molécules se déplacent plus facilement dans les gaz. Dans les liquides, la diffusion est plus lente mais elle se produit tout de même ; elle est facilitée par l’agitation continuelle des molécules. Il est possible d’observer de nos propres yeux une conséquence directe du mouvement des molécules dans un liquide.
En 1827, moins de 20 ans après que Dalton eut formulé sa théorie atomique, le botaniste écossais Robert Brown observa, avec une lentille, que des grains de pollen en suspension dans l’eau étaient animés d’un mouvement désordonné. Il pensa d’abord que ce mouvement était dû à la nature vivante des grains de pollen, mais, lorsqu’il observa des particules de teinture, non vivantes, elles montrèrent la même agitation. La figure 1.14 représente le mouvement de fines particules de solide (poussières, grains de pollen, etc.) en suspension dans un liquide, vu de l’objectif d’un microscope.
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La diffusion au service du nucléaire
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Figure 1.14 - Mouvement brownien
Au microscope, on observe que les fines particules de pollen bougent de façon désordonnée. Cette agitation résulte des collisions entre les molécules de liquide (invisibles) et le pollen. Le mouvement brownien est donc une preuve visible que les molécules de liquide sont animées d’un
mouvement ce qui fait qu’elles se heurtent continuellement.
On explique le mouvement désordonné par l’hypothèse suivante : les molécules du liquide entrent continuellement en collision avec les grains de pollen, de manière désordonnée. Les particules de pollen se déplacent alors en zigzag, à la merci du bombardement que leur font subir les molécules de liquide. Plus les particules sont petites, plus le mouvement est prononcé et facile à observer. De telles observations ont donné du poids à la théorie selon laquelle les molécules d’un liquide sont animées d’un mouvement. L’agitation des particules solides, nommée mouvement brownien, du nom du botaniste, est une manifestation concrète et visible des mouvements moléculaires.